原位生长氮化铝晶须增强环氧复合材料热导率：基于光伏硅废料构建Si3N4-AlN三维网络骨架的新策略

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Significantly enhanced thermal conductivity of epoxy composites by in-situ growing AlN whiskers in pre-constructed Si3N4-AlN network skeleton

本研究针对电子器件高热流密度散热需求，通过冰模板法与原位氮化反应烧结技术，利用光伏硅废料（PSW）构建具有AlN晶须桥接的Si3N4-AlN三维网络骨架，成功制备出热导率达7.04 W·m-1·K-1的环氧复合材料（38.13 vol%填料），较纯EP提升35.2倍。该工作为高导热陶瓷/聚合物复合材料开发提供了创新思路。

　　

随着5G时代电子设备向高密度、大功率方向飞速发展，芯片运算速度的不断提升使得器件单位面积产热量呈指数级增长。就像盛夏时拥挤的城市街道，热量若无法及时疏散，将导致设备"中暑"——性能衰减、寿命缩短甚至烧毁失效。环氧树脂（EP）因其优异的绝缘性和加工性能，成为电子封装领域不可或缺的界面材料，但其本征热导率（约0.2 W·m^-1·K^-1）却如同一条狭窄的乡间小路，难以承载现代电子器件巨大的"热流车流"。传统随机填充陶瓷填料的方法虽能提升复合材料热导率，但高填料占比（通常>50 vol%）不仅增加成本，还会破坏材料机械性能，且杂乱分布的填料难以形成连续的热传导通路。

针对这一难题，海南大学团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表的研究工作中，创新性地提出"骨架高速公路+晶须桥梁"的协同导热策略。研究人员巧妙利用光伏产业副产品——光伏硅废料（PSW）与铝粉为原料，通过多步骤精细调控，成功构建出具有定向AlN晶须的Si₃N₄-AlN三维网络骨架，最终制备出热导率突破7.04 W·m^-1·K^-1的环氧复合材料，为高性能热界面材料（TIM）的开发开辟了新路径。

关键技术方法包括：①以PSW和铝粉为硅源/铝源，通过氮化反应合成Si₃N₄-AlN复合陶瓷粉体；②采用冰模板法构建Al含量Si₃N₄-AlN三维骨架；③通过原位氮化反应烧结转化铝粉为棒状AlN晶须；④真空浸渍环氧树脂制备复合材料。

3.1 Si₃N₄-AlN复合粉体的物相与形貌演化

XRD分析显示，当反应温度达到1500°C时，PSW与铝粉完全转化为β-Si₃N₄和AlN两相。TEM表征证实产物中存在Si₃N₄晶须（晶面间距2.62 ?）和AlN颗粒（晶面间距2.93 ?），EDS-mapping显示两相分布均匀，为后续构建连续导热网络奠定基础。

3.2 三维Si₃N₄-AlN骨架的物相与断裂形貌

采用YF₃-La₂O₃复合烧结助剂的3Y2La样品显示出最强的Si₃N₄/AlN衍射峰。SEM显示冰模板形成的垂直通道经反应烧结后，因大量棒状AlN晶须（经HRTEM确认为沿[102]方向生长的AlN，晶面间距1.81 ?）的桥接作用而宽度增加，有效拓宽了声子传输路径。

3.3 Si₃N₄-AlN/EP复合材料的断裂与元素分析

SEM显示复合材料断面中陶瓷颗粒与EP基体结合紧密，虽存在局部微裂纹，但真空浸渍有效降低了界面热阻。EDS-mapping显示Al、Si、N元素分布均匀，证实三维网络骨架在浸渍过程中保持完整，其中Al原子分布密度高于Si，与原料中AlN占比更高（Si₃N₄:AlN=1:2.2）相符。

3.4 复合材料导热与机械性能

热重分析测得3Y2La样品陶瓷体积分数为38.13 vol%时，热导率达7.04 W·m^-1·K^-1，为纯EP的35.2倍。YF₃-La₂O₃助剂组合通过促进AlN晶须生长与陶瓷致密化，实现89.64%的导热增强效率（η值），显著优于文献报道的Si₃N₄/AlN填料体系。三点弯曲强度测试表明，除3Y2Ca外，其余复合材料强度均超100 MPa，高于纯EP。

3.5 复合材料散热应用验证

CPU运行测试（90°C）显示，3Y2La基板表面温度最快达到热源温度。加热台实验（90-150°C）进一步证实其升温速率显著优于纯EP，且高温下热导率提升更明显，体现其实际应用潜力。

该研究通过巧妙的材料设计理念，将废弃PSW转化为高性能导热填料的硅源，结合冰模板定向构筑与原位晶须生长技术，成功在环氧基体中建立起"三维骨架高速公路+一维晶须桥梁"的双重导热网络。其创新点在于：①实现废弃资源高值化利用；②通过AlN晶须的桥接作用显著提升声子传输效率；③在适中填料含量下获得卓越的导热增强效率。这项工作不仅为电子器件热管理提供了新材料解决方案，也为多尺度结构调控在功能复合材料中的应用提供了重要借鉴。